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1、1概述固态发射机因其高可靠等特点越来越受到广大设计师和用户的青睐。对于给定的输出功率，固态发射机通常有两种实现方法，一种是采用多个中功率(百瓦量级)功放组件合成，另一种是采用较少的高功率(千瓦量级)功放组件合成。一般来说，前者相对容易实现，后者则较难，在频率较高的S波段更是如此。但后者明显的优点是整机的体积较小，重量较轻。因此功放组件的功率量级是衡量固态发射机水平的标志之一。2技术难点与设计思路文献1介绍的S波段固态发射机采用56个输出功率为300W的末级功放组件合成，总功率只有12.5kW，带宽仅200MHz。本发射机的输出功率达18kW以上，而体积、重量又有严格的限制，这是本发射系统研制的
2、难点之一；第二个难点是瞬时带宽宽，达300MHz。为了解决第一个难点，我们将末级功放组件的功率定为千瓦量级，同时采用低损耗的径向功率合成器。以往固态发射机采用径向功率合成器，其组件总是沿圆周方向分布，组件输入、输出端与分配器、合成器的连接采用盲插方式(即硬接触)，这不但要求有很高的制造精度，而且空间利用率低、可靠性难保证。本发射机中，分配器、合成器与组件的连接采用低损耗电缆，组件沿机柜两侧对称放置，避免了上述缺点。千瓦量级末级功放组件方案的确定更加突出了第二个难点。要实现S波段千瓦量级、300MHz带宽的功放组件，不仅要解决各级放大器宽带阻抗匹配问题、微波功率电平匹配问题和多管功率合成问题，还
3、要解决高增益功放组件内部的电磁兼容问题。为此，我们采用了先进的级间隔离、幅频均衡和屏蔽技术。 3发射机组成18kW发射机的框图如图1所示，它由输入双工开关、前级功放组件、输出双工开关、径向功率分配器、径向功率合成器、末级功放组件、直流稳压电源、控制保护监测和冷却系统等组成。4末级功放组件图1S波段18kW固态发射机框图该固态发射机的射频放大链由两级功放组件构成。第一级为前级功放组件，输出功率为260W左右，第二级由24个千瓦级的末级功放组件进行功率合成。功率合成器为径向型结构，输入端沿圆周方向均匀分布，输出端为波导形式，位于圆盘中央。前级功放组件采用双工，当A路(B路)出现故障或功率下降时，能
4、自动地切换到B路(A路)，大大提高了系统的可靠性。输入、输出双工开关为高功率PIN管构成的微波电子开关，切换速度快。末级功放组件为本发射机的核心单元，将3W输入信号放大到千瓦量级的功率输出，共有四级放大电路，末级采用16只射频功率管，由低损耗功率合成器合成。为了获得良好的匹配性能，在放大器各级之间采用隔离、均衡技术。组件输出端的隔离器为放大器提供良好的阻抗匹配，同时它也是最后合成总功率的需要。末级功放组件的照片如图2所示。图2末级功放组件照片低损耗功率分配器/合成器采用的是先进的串、并馈结合的形式。一般来说，串馈的优点是尺寸小、损耗小、高功率隔离电阻容易安装等，缺点是分配的路数较多时加工工艺比
5、较复杂；并馈的优点是加工比较容易，幅相一致性容易满足，缺点是尺寸大、损耗大、高功率隔离电阻不太好安装。采用串并馈结合的形式就是充分利用串馈和并馈各自的优点。组件BITE电路为一独立的单元，射频检波、放大比较电路与易造成干扰的高功率场隔离，从而使监测电路稳定可靠。5前级功放组件前级功放组件增益高，电磁兼容(EMC)问题突出，为此，将前级功放组件分成预激励放大器和激励放大器两部分，并且将易受干扰的预激励放大器做成一独立的屏蔽单元，然后再与激励放大器电路一起安装在组件的散热底板上。预激励放大器由多级场效应晶体管组成，输出功率大于3.3W。激励放大器实际上是末级功放组件的前三级放大电路，只是将工作电压
6、适当降低。前级功放组件的外形尺寸与末级功放组件的完全一样。6径向功率合成器与分配器对于合成器，由于其工作在高功率的电平上，损耗显得相当重要。径向功率合成器采用空气带状线结构，由三级阻抗变换电路组成，是非隔离型的。对于功率分配器来说，端口间隔离性能的好坏直接影响整个固态发射机的稳定性与可靠性。为了获得良好的端口隔离性能，本功分器采用微带线形式，由多级威尔金逊网络级联组成，每级均装有大功率射频隔离电阻。7大功率开关电源为了提高系统的可靠性，24只开关电源并联供电，并且允许有两只故障时，整个发射系统仍然能够正常工作。开关电源采用间歇脉冲工作方式。在射频脉冲发射期间，开关电源处于休止状态，由电源本身和
7、功放组件中所有的储能电容器储存的能量供给射频晶体管工作；在射频脉冲结束后，开关电源开始工作，给电容器充电，充到额定电压后，电源便处于等待状态，直到下一个射频脉冲结束，电源才再开始工作。这样做的目的是为了消除电源开关尖刺对发射信号的影响。8控制、保护与监测开、关机的控制由一只小分机完成，具有本控、遥控两种工作方式，当处于遥控状态时，可在雷达主控台上控制发射机的开关。前级功放组件A路、B路之间的切换由双工控制插件驱动输入、输出双工开关来实现，具有手动与自动两种工作方式。本系统设有风流量不足、过温、天馈驻波大等保护功能。每只大功率开关电源还设有过压、过流保护功能。本发射机设有监测分机，分别对组件和电
8、源进行监测，在末级功放组件、前级功放组件或开关电源出现故障时，其中的BITE电路会将故障信号送给监测分机，进行指示或报警。监测分机还可与雷达总体进行通信，将发射机的状态传送过去。9结构与冷却采用径向功率分配器/合成器的固态发射机，其末级功放组件一般沿圆周分布，空间利用率低。本发射机的末级功放组件和大功率电源等设备沿机柜的两侧对称放置，使有限的空间得到了合理有效的应用，如图3所示。图3S波段18kW固态发射机照片本发射机的冷却采用强迫风冷。需要冷却的单元有前级功放组件、末级功放组件和大功率开关电源等。末级功放组件和前级功放组件的散热器采用高效板翅式冷板，这种冷板不但散热效果好，而且重量轻。开关电
9、源的散热器为普通铝型材。组件和电源的冷却分别采用4kW和1.1kW的鼓风机集中吹风，冷却风从机柜侧面进来，由两只静压箱分别分配给26只组件(含2只前级功放组件)和24只电源，组件和电源的出风通过简易方舱的窗口直接排出。10联试结果我们共生产了28只末级功放组件用于样机联试，在额定工作电压情况下，所有组件在频带内的功率均大于900W，波动小于1.5dB。在两个频率点(频带的高端和低端)上，对28个组件插件相位进行测试，最大值与最小值相差70。通过相位调整，保证高端的相位差在5以内，由于组件之间相频特性的差异，低端的相位差最大值为15。由于组件在低端的功率较大，总合成后的功率仍然能够满足要求。整个
10、发射机的测试结果如表1所示。表1整机测试结果(电压35.5V，脉宽100s，工作比10%)频率f1f2f3f4f5f6f7f8输出峰值功率P0(kW)23.522.321.421.820.519.819.218.2总电源I(A)336327331304292268259245效率(%)19.719.218.220.219.820.820.920.9杂谱(dB)-52二次谐波(dB)-45表1中的效率是指射频放大链的效率，整个发射机的效率还必须考虑电源的效率和冷却用鼓风机的功耗。 作者单位：南京电子技术研究所南京 210013参考文献作者简介：马以亮工程师，1988年毕业于上海复旦大学电子工程系无线电电子学专业，获学士学位。主要从事雷达发射机的研究与设计工作，曾两次获得电子部科技进步二等奖。牟文智高级工程师，1965年毕业于成都电讯工程学院雷达专业。长期从事高频及系统的研究与设计工作。陆青工程师，长期从事发射机结构的研究与设计工作，曾获得电子部科技进步特等奖、二等奖。 1“12kW S-Band Solid State Transmitter for Modern Radar System”，IEEE Trans on MTT, Vol.41,No.12,1993,pp223722422马以亮等.雷达发射机幅频特性的改善方法.现代雷达.1998年第1期，pp.8389
